雙醛殼聚糖的制備及其還原銀納米顆粒的研究

喬家鈺，王 浩，劉 琰

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)輕紡工程與藝術(shù)學(xué)院，安徽合肥 230036)

?

雙醛殼聚糖的制備及其還原銀納米顆粒的研究

喬家鈺，王 浩，劉 琰

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)輕紡工程與藝術(shù)學(xué)院，安徽合肥 230036)

高碘酸鈉氧化殼聚糖制得的雙醛殼聚糖可將硝酸銀還原生成銀納米粒子，而未經(jīng)氧化的殼聚糖不能將硝酸銀還原成納米銀單質(zhì)。對(duì)比傳統(tǒng)的水浴加熱氧化和微波輻射氧化制備的雙醛殼聚糖，結(jié)果表明微波輻照氧化制備的雙醛殼聚糖具有更好的氧化度和溶解性，而其分子量在氧化過程中下降更明顯，產(chǎn)物顏色變深。通過紫外吸收光譜和透射電鏡對(duì)制備的納米銀粒子進(jìn)行表征，結(jié)果表明與水浴加熱氧化相比，微波輻照條件下制備的雙醛基殼聚糖氧化度提高，其還原穩(wěn)定生成的納米銀粒子分散性和穩(wěn)定性更好，粒徑控制在30nm～50nm之間。

雙醛殼聚糖 選擇性氧化 銀納米顆粒 微波輻射 氧化度

殼聚糖來源豐富,是地球上僅次于纖維素的第二大生物資源。殼聚糖及其衍生物被廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、污水處理、紡織印染整理行業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、造紙工業(yè)、食品工業(yè)、化妝品等行業(yè)[1]。但由于殼聚糖在水中的溶解性能差，其應(yīng)用范圍受到一定限制，通常使用化學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行改性來達(dá)到使用的目的[2]。高碘酸鈉可對(duì)殼聚糖進(jìn)行選擇性的氧化裂解，高碘酸鈉氧化殼聚糖可以將殼聚糖的吡喃糖環(huán)打開，在C2、C3位置引入雙醛基團(tuán)，從而制備雙醛基殼聚糖[3]。殼聚糖經(jīng)氧化后，不僅提高了殼聚糖溶液的溶解性，同時(shí)雙醛殼聚糖中的氨基和醛基對(duì)金屬離子及納米粒子具有螯合作用[4]。利用雙醛基殼聚糖同時(shí)具備還原性和穩(wěn)定性的特殊性能，可將硝酸銀溶液還原穩(wěn)定生成納米銀粒子[5]，從而作為抗菌整理劑應(yīng)用于紡織材料改性[6]。實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示：

圖1 雙醛殼聚糖還原穩(wěn)定納米銀粒子原理

微波輻射能技術(shù)具有加熱反應(yīng)時(shí)間短、加熱快且均勻、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。將其引入到化學(xué)反應(yīng)中，在微波場中產(chǎn)生大量的熱，可大大增加反應(yīng)物分子之間的碰撞頻率，在極短的時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物可達(dá)到活化狀態(tài)，有效促進(jìn)有機(jī)反應(yīng)[7]。本文主要對(duì)比研究了傳統(tǒng)水浴加熱和微波輻照兩種不同條件下對(duì)高碘酸鈉氧化殼聚糖的影響以及對(duì)生成的雙醛基殼聚糖還原穩(wěn)定納米銀粒子的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料：殼聚糖(脫乙酰度90%)；高碘酸鈉、硝酸銀、36%乙酸、無水乙醇等均為分析純，以上試劑均購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

實(shí)驗(yàn)儀器：M1-L213B美的微波爐；UV-4802S型紫外可見分光光度計(jì)(上海尤尼柯儀器有限公司)；BS210S全自動(dòng)光電天平(德國賽多利斯公司)；DZK-K型真空干燥箱(達(dá)斯卡特科學(xué)器材有限公司)；HWS-12型電熱恒溫水浴鍋(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)；Vario EL Cube全自動(dòng)元素分析儀(德國元素分析系統(tǒng)公司)；HT-7700透射電子顯微鏡(日本日立公司)。

1.2 工藝流程

1.2.1 雙醛殼聚糖的制備

稱取一定量的殼聚糖加入到0.5mol/L的乙酸溶液中攪拌2h，使之完全溶解，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的殼聚糖溶液。將殼聚糖溶液中加入2g左右高碘酸鈉后在50℃恒溫水浴鍋中避光攪拌反應(yīng)一段時(shí)間，或先將加入高碘酸鈉的殼聚糖溶液放入微波爐中，在320W功率間歇處理5min，取出冷卻后，避光攪拌反應(yīng)一定時(shí)間。最后將兩種氧化反應(yīng)的殼聚糖溶液加入等體積無水乙醇中止反應(yīng)，抽濾后得白色沉淀，置于烘箱中40℃烘干得到雙醛殼聚糖。

1.2.2 還原制備納米銀水溶液

將殼聚糖溶液或制備好的不同氧化度的雙醛殼聚糖溶解配制成50mL 0.5%(w/v)的溶液，加入3mL 0.01mol/L的硝酸銀溶液，并不斷攪拌。將上述反應(yīng)液在80℃的水浴鍋中避光加熱反應(yīng)6h，溶液逐漸由原來的無色變?yōu)辄S色，室溫冷卻后，即可得到納米銀水溶液。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 殼聚糖分子量測試

殼聚糖分子量的測定用烏式粘度計(jì)，按照稀釋法，用Mark-Houwink方程計(jì)算其粘均分子量[8]：

[η] =K·Mα

式中：K=1.81×10-3cm3·g-1，α=0.93

1.3.2 雙醛殼聚糖氧化度測試

利用元素分析儀對(duì)未經(jīng)微波輻照普通氧化或微波輻照氧化制得的雙醛基殼聚糖測定C、N元素的含量，通過公式計(jì)算得出雙醛基殼聚糖的氧化度[9]。

式中：FA為殼聚糖原粉中乙酰氨基的含量，F(xiàn)OX為殼聚糖氧化度。

1.3.3 殼聚糖溶解度測試

對(duì)比在微波條件下制備雙醛基殼聚糖與不在微波條件下制備雙醛基殼聚糖的溶解度。采取飽和溶液法測量殼聚糖和氧化殼聚糖的溶解度。在25℃下分別配制殼聚糖和氧化殼聚糖的過飽和溶液后，將其在7000r/min下超速離心15min,上清液取出后加入3～5倍乙醇析出殼聚糖或氧化殼聚糖沉淀物,然后將沉淀物在40℃真空中干燥后稱取其質(zhì)量,最后計(jì)算得到溶解度:單位體積水溶液中所含有物質(zhì)的飽和質(zhì)量(w/v,%)[10]。

1.3.4 納米銀粒子紫外-可見吸收光譜測試

利用紫外-可見光吸收光譜儀測試所制備的納米銀水溶液在300nm～600nm波長范圍內(nèi)的紫外吸收光譜,使用石英比色皿，夾縫值為2，測試分辨率為1nm。

1.3.5 納米銀粒子透射電鏡測定

取少量雙醛殼聚糖穩(wěn)定還原制得的納米銀水溶液滴加到鍍碳膜的銅網(wǎng)上，室溫晾干后，利用透射電鏡在180kV加速電壓下觀察納米銀的形貌和大小。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同條件制得的雙醛殼聚糖氧化度及分子量的對(duì)比

將未經(jīng)微波輻射普通水浴加熱分別氧化4h、12h的雙醛殼聚糖樣品以及經(jīng)微波加熱后分別氧化4h、12h的雙醛殼聚糖樣品其氧化度、粘均分子量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1：

表1 不同氧化條件制得的雙醛殼聚糖氧化度及分子量的對(duì)比

對(duì)比表1中1～4號(hào)高碘酸鈉氧化殼聚糖樣品可以看出，微波輻照氧化制得的雙醛殼聚糖比普通氧化制得的雙醛殼聚糖的氧化度明顯增加，說明微波輻照具有加速殼聚糖氧化進(jìn)程的作用，在相同氧化時(shí)間內(nèi)，比傳統(tǒng)的水浴加熱氧化制得的雙醛殼聚糖生成的醛基含量更高。這是由于微波輻射在極短時(shí)間內(nèi)可以使得反應(yīng)體系中的極性分子運(yùn)動(dòng)加劇，增加了高碘酸根對(duì)殼聚糖氨基葡萄糖單元中C2上的-NH2和C3上的-OH的攻擊頻率，故微波輻射條件下殼聚糖的氧化度提高。由表1還可以看出，與原殼聚糖相比，殼聚糖經(jīng)普通水浴加熱氧化4h后，其粘均分子量從56.75×104下降到32.33×104，這主要是由于在氧化反應(yīng)過程中，殼聚糖部分氨基葡萄糖單元中C2和C3鍵被氧化破壞，分子內(nèi)和分子間的作用力減弱，同時(shí)部分殼聚糖分子主鏈發(fā)生過氧化斷裂，因此殼聚糖分子發(fā)生較嚴(yán)重的降解。而相比未經(jīng)微波輻射的，微波輻照氧化制得的雙醛殼聚糖分子量下降更為明顯。這是由于在微波作用下，反應(yīng)物中的極性分子與微波發(fā)生率強(qiáng)烈的耦合作用，活化了殼聚糖分子的同時(shí)，也削弱了殼聚糖的結(jié)晶性和有序結(jié)構(gòu)，在極短的時(shí)間內(nèi)就發(fā)生了劇烈降解[11]。隨著氧化時(shí)間的延長，普通氧化和微波輻射氧化的雙醛殼聚糖氧化度都不斷增加，同時(shí)殼聚糖分子量也不斷下降，兩者之間呈明顯的負(fù)相關(guān)性。當(dāng)微波輻射后氧化24h的殼聚糖，其分子量下降到7.13×104，其氧化度最高，可達(dá)到38.1%。

此外，由表1可見，隨著制得的雙醛殼聚糖分子量的降低，產(chǎn)物的顏色由淡黃色變?yōu)樯铧S色，顏色不斷加深。

2.2 不同條件制得的雙醛殼聚糖溶解性能對(duì)比

將上述的0～4號(hào)殼聚糖樣品進(jìn)行溶解性測試，其結(jié)果見表2。

表2 溶解度測試

由于殼聚糖分子鏈上含有大量的羥基、氨基等活性基團(tuán)，其分子間及分子內(nèi)都存在較強(qiáng)的氫鍵作用，導(dǎo)致其分子具有較強(qiáng)的結(jié)晶性和致密性，因而未氧化殼聚糖的水溶性差。由表2可以看出，殼聚糖經(jīng)氧化后，其水溶性增加，并隨著氧化時(shí)間延長，其水溶性進(jìn)一步提高。這是由于高碘酸鈉氧化殼聚糖在引入醛基的同時(shí)，其氨基葡萄糖單元中C2和C3鍵以及部分殼聚糖分子主鏈均發(fā)生斷裂，分子內(nèi)和分子間的作用力減弱，殼聚糖分子的結(jié)晶度下降，分子量降低，分子鏈的柔順性增加[12]，從而增加了殼聚糖的溶解性。氧化4h的雙醛殼聚糖樣品1和樣品3具有一定的溶解性；而隨著反應(yīng)時(shí)間延長至24h時(shí)，殼聚糖氧化程度增大，其分子量明顯下降，降解越明顯，氧化殼聚糖的溶解性也隨之進(jìn)一步增加。由表2還可以看出，對(duì)比普通氧化與微波輻照氧化制得的雙醛殼聚糖，微波輻照氧化制得的雙醛殼聚糖的溶解性更好，尤其雙醛殼聚糖樣品4的水溶性達(dá)到4.154%，已經(jīng)具有很好的溶解性能。這主要是由于微波輻射加熱不僅加劇了氧化反應(yīng)速率，也加快了殼聚糖的降解速率,從而改善了溶解性。由此可見，微波輻射不僅可提高殼聚糖氧化程度，也可以提高其溶解性能，制得的雙醛殼聚糖具有更好的活性和水溶性。

2.3 制備的納米銀粒子紫外吸收光譜分析

納米銀顆粒在紫外-可見光譜中的吸收帶為380nm～450nm之間[13]。圖2是采用上述樣品0～樣品4還原制備的五種不同納米銀溶液分別在390nm～490nm波長處的UV吸收光譜。從圖2中可以看出在該波段，殼聚糖樣品0還原硝酸銀的復(fù)合溶液中沒有明顯的吸收峰，說明溶液中沒有納米銀顆粒的生成；而其余雙醛殼聚糖樣品1～樣品4穩(wěn)定還原硝酸銀的復(fù)合溶液均在425nm左右出現(xiàn)了單一的明顯的紫外吸收峰，表明制備的溶液中均有納米銀粒子生成。這是因?yàn)殡m然殼聚糖的分子上具有較多的活性基團(tuán)，可以起到穩(wěn)定納米金屬粒子的作用，但在制備納米粒子過程中還需另加還原劑[6]。而經(jīng)高碘酸鈉氧化制得的雙醛殼聚糖，引入了醛基基團(tuán)，使其同時(shí)具備了還原性和穩(wěn)定性，因此在不加任何還原劑的條件下可將銀離子還原成納米銀單質(zhì)。

圖2 不同條件下還原穩(wěn)定納米銀粒子的紫外吸收光譜

雙醛殼聚糖樣品1～樣品4還原穩(wěn)定制得的納米銀粒子溶液在425nm左右的吸收度數(shù)值變化情況見圖3。

圖3 不同雙醛殼聚糖還原制備的納米銀吸收值

由圖3可以看出，氧化4h的雙醛殼聚糖樣品1(水浴加熱)和樣品3(經(jīng)微波輻射加熱)由于氧化度較接近，因此穩(wěn)定還原生成的納米銀紫外吸收峰值也相近，但吸收峰強(qiáng)度較弱。隨著氧化時(shí)間增加，雙醛殼聚糖的氧化度提高，其還原能力增強(qiáng)，因而還原生成的納米銀顆粒吸收峰隨之增加。而相比未經(jīng)微波輻射氧化24h的殼聚糖樣品2，經(jīng)微波輻射氧化24h的殼聚糖樣品4具有更強(qiáng)的穩(wěn)定還原納米銀的能力，其生成的納米銀粒子的吸收峰值最強(qiáng)，表明此氧化度下的殼聚糖更有利于納米銀顆粒的生成。由此可見，雙醛殼聚糖的氧化度對(duì)納米銀生成具有重要影響，微波輻射有利于提高納米銀的生成量。

2.4 制備的納米銀粒子透射電鏡分析

(a)樣品0(×10.0K)(b)樣品3(×80.0K) (c)樣品4(×80.0K)

圖4 樣品0、樣品3、樣品4制備的納米銀粒徑分布及形貌

通過透射電鏡觀察生成的納米銀微觀形態(tài)。圖4(a)、(b)和(c)分別表示的是未氧化的殼聚糖、經(jīng)普通水浴加熱氧化殼聚糖以及微波輻射氧化殼聚糖還原硝酸銀制備的3種納米銀粒子TEM照片。由上述樣品0還原硝酸銀的復(fù)合溶液紫外吸收光譜分析可知，溶液中沒有納米銀顆粒的生成。如圖4所示，在放大10k倍的電鏡中，圖4(a)可以看到殼聚糖還原硝酸銀的復(fù)合溶液中銀離子被包覆形成較大顆?，F(xiàn)象，而沒有看到納米級(jí)別的銀粒子分散存在。這與紫外吸收光譜分析結(jié)果一致。而在圖4(b)和(c)中2種雙醛殼聚糖還原硝酸銀均得到了納米銀顆粒，且分散較均勻。這是由于氧化殼聚糖的氨基和醛基能提高殼聚糖對(duì)金屬銀離子的螯合作用，讓銀離子富集，并在銀離子螯合部位發(fā)生原位反應(yīng)，緩慢還原出的納米銀，因殼聚糖的包裹，也相對(duì)穩(wěn)定。在放大80k倍的視野中，比較圖4(b)和(c)可以看出，在微波輻照條件下制備的雙醛基殼聚糖還原穩(wěn)定制得的單個(gè)納米銀粒子效果更佳。圖4(b)的樣品，單個(gè)納米銀粒子分散較均，但粒徑有一定差異，并出現(xiàn)小塊團(tuán)聚現(xiàn)象，而圖4(c)的樣品，還原生成在納米銀粒子均勻并且粒徑控制30nm～50nm之間，粒徑分布較集中。說明經(jīng)微波輻射氧化的殼聚糖氧化度較高，生成的醛基含量較多，在醛基和氨基共同作用下，還原制備的納米銀粒子的分散性和穩(wěn)定性越好。

3 結(jié)論

(1)相比傳統(tǒng)的水浴加熱氧化制得的雙醛殼聚糖，微波輻照氧化制備的雙醛殼聚糖具有更高的氧化度和更好的溶解性，而分子量在氧化過程中下降更明顯。

(2)紫外吸收光譜分析可得，未氧化殼聚糖還原硝酸銀的復(fù)合溶液中沒有納米銀顆粒的生成。而經(jīng)高碘酸鈉氧化制得的雙醛殼聚糖在不加任何還原劑的條件下能夠?qū)y離子還原成銀納米顆粒，且微波輻射氧化殼聚糖有利于提高納米銀的生成量。

(3)透射電鏡分析表明，相對(duì)水浴加熱氧化殼聚糖，微波輻照條件下氧化24h制備的雙醛基殼聚糖制得的納米銀粒子分散性和穩(wěn)定性更好，其粒徑主要集中在30nm～50nm之間。

[1] 唐星華， 沈明才. 殼聚糖及其衍生物應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 日用化學(xué)工業(yè)， 2005， 35(1): 39-41.

[2] 陳剛， 李翔， 劉小成. 殼聚糖的改性及應(yīng)用進(jìn)展[J]. 科教導(dǎo)刊, 2013， 54(3)：97-98.

[3] Inger M. N. void, B E. Christensen. Periodate oxidation of chitosans with different chemical compositions[J].Carbohydrate Research, 2005, 340(4): 679-684.

[4] 張德鎖， 廖艷芬， 林紅， 等. 微波原位生成納米ZnO整理棉織物實(shí)驗(yàn)研究[J].紡織導(dǎo)報(bào)，2013 (9)：110-112.

[5] 呂勇， 宋詞， 戴磊， 等. 殼聚糖氧化改性及還原穩(wěn)定納米銀研究[J].功能材料， 2014， 45(6)：92-95.

[6] 張雨菲， 李友良， 姚遠(yuǎn)， 等. 殼聚糖納米銀溶液的穩(wěn)定性及在織物抗菌整理上的應(yīng)用[J]. 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)， 2012， 33(8)：1860-1864.

[7] 嚴(yán)麗平. 微波法制備殼聚糖的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 上海：東華大學(xué)， 2003.

[8] 趙立明， 全哲山， 金海善， 等. 殼聚糖粘均分子質(zhì)量的測定[J]. 延邊大學(xué)醫(yī)學(xué)學(xué)報(bào)， 2005(3)：36-37.

[9] H L Jiang, H T Lim, Y K Kim, et al. Chitosan-graft-(PEI-beta-cyclodextrin) copolymers and their supramolecular PEGylation for DNA and siRNA delivery[J]. Biomaterials, 2011, 32(32): 8328-8341.

[10]Yoo S H, Lee J S, Lee H G. Effects of selective oxidation of chitosan on physical and biological properties[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2005(35) :27-31.

[11]劉松， 邢榮娥， 于華華， 等. 微波輻射對(duì)不同介質(zhì)均相殼聚糖的降解研究[J]. 食品科學(xué)，2005，26(10)：30-33.

[12]孫遠(yuǎn)， 田曉慧， 孫金煜， 等. 氧化殼聚糖-絲膠共價(jià)復(fù)合物在天然乳膠改性中的應(yīng)用[J]. 化工新型材料，2013， 41(9)：184-186.

[13]Sakai H, Kanda T, Shibata H, et al. Preparation of highly dispersed core/shell-type titania nanocapsules containing a single Ag nanoparticle[J]. Journal of the American Chemical Society, 2006, 128(15): 4944-4945.

Preparation of Dialdehyde Chitosan and Study on Its Reduction for Silver Nanoparticles

QIAOJia-yu,WANGHao,LIUYan

(College of Light Textile Engineering and Art, Anhui Agricultural University, Hefei 230036)

Dialdehyde chitosan prepared by oxidized chitosan with sodium periodate can reduce the silver nitrate to silver nanoparticles while chitosan without oxidation cannot. The dialdehyde chitosan prepared by water bath heating oxidation and dialdehyde chitosan prepared by microwave irradiationn oxidation were compared, the results indicated that dialdehyde chitosan prepared by microwave irradiationn oxidation had better oxidation degree and water solubility; its molecular weight decreased more obviously in the oxidation process and the color of resulting product became deeper. The silver nanoparticles were characterized by UV absorption spectroscopy and transmission electron microscopy, the results showed that compared with the water bath heating oxidation, the oxidation degree of dialdehyde chitosan prepared by microwave irradiationn oxidation increased, which led to better dispersion and stability of silver nanoparticles generated by its reduction and achieved 30～50nm particle size .

dialdehyde chitosan selective oxidation silver nanoparticles microwave irradiation oxidation degree

2016-07-20

國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201510364019)；安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2016A236)；安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)“學(xué)科骨干培育計(jì)劃”項(xiàng)目(2014XKPY-56)。

王浩(1978-)，女，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：紡織新材料和功能紡織助劑。

TS102

A

1008-5580(2016)04-0037-05